一种新型微带双模可调滤波器设计

秦绪嵘，和新阳

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）



一种新型微带双模可调滤波器设计

秦绪嵘，和新阳

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

摘要：基于开环双模谐振器设计了一种新型的变容管加载的微带可调滤波器。首先，根据双模谐振器的结构特点，利用奇偶模方法分析了其谐振特性；然后，在理论分析基础上设计了适合频率调节的双模谐振器；最后，在固定频率的双模滤波器上加载变容二极管，通过调节变容二极管的反向偏置电压实现了频率的可调。该可调滤波器实现了2.7～2.9 GHz的中心频率可调，且在可调范围内插入损耗小于5 dB，具有广阔的应用前景。

关键词：微带滤波器；双模谐振器；变容二极管；可调滤波器

现代无线通信系统，尤其是卫星通信和移动通信，对通道的选择性要求越来越高，对器件小型化、微型化的要求愈加迫切，这使得小型化、高选择性滤波器成为研究的热点。微带双模滤波器凭借其结构简单、尺寸小、重量轻、成本低、易于集成，且插入损耗低，易产生传输零点等一系列优点，在卫星通信和无线通信系统中得到了广泛的应用，受到了许多研究人员的关注和重视。

微带双模滤波器由I.Wo1ff于20世纪70年代首次提出［1］，此后人们便对微带双模滤波器开展了大量的研究。双模谐振器在几何结构上的对称性，使其存在两种简并模式，在两种模式的正交面上通过加枝节引入微扰可以使二者分离，从而等效为两个调谐电路，因此，一个双模谐振腔就相当于两个谐振腔的级联，从而使得滤波器所需的谐振器的数量减少一半，结构变得更加紧凑。到目前为止，在双模谐振器的研究上已有大量的成果和相关文献发表。J.R.Lee等人在2000年首次采用中心枝节加载结构设计了中心频率为2 GHz的双模滤波器［2］，同时通过两个谐振器的级联，设计出了具有一对带外传输零点的四极点滤波器。J.S.Hong等人于2007年由单模谐振器设计出了一种开环双模滤波器，其奇偶模谐振之间不存在耦合，通过调节相关参数可使由这种开环双模滤波器级联的两阶滤波器实现有限输零点位置的可控［3］。此后，微带双模滤波器便如雨后春笋般发展，在滤波器领域扮演着重要角色。

近年来，随着现代无线通信事业的进一步发展，为了更高效地利用有限的频谱资源，扩频、调频、动态频率分配等技术得到广泛的应用，可调滤波器作为这些技术的关键器件也越来越受到重视。I.C.Hunter等人在1982年首次通过使用变容管实现了对梳状线滤波器中心频率的调节，并设计了一款在3.2～4.9 GHz频率可调的微带梳状线可调滤波器［4］。双模可调滤波器是实现微波器件小型化的有效方法，研究人员在相关研究中也取得了大量的成果［5］。

文中在微带开环双模谐振器的基础上设计加工了一款新型可调滤波器。首先对微波双模方环谐振器进行奇偶模分析，确定奇偶模的谐振频率；然后通过加载变容二极管实现滤波器在2.7～2.9 GHz上插入损耗小于5 dB的频率调节。

1　双模谐振器的基本特性

文中的可调滤波器是在开环双模谐振器［6］的基础上设计的，下面以形式最简单的双模谐振器—方环双模谐振器为例，对其原理进行分析，方环双模谐振器的基本拓扑结构如图1所示。方环边长近似为四分之一波导波长，通过改变对称处加载微扰枝节的大小和形状可以实现不同类型的频率响应。由图1可知，方环双模谐振器关于图中的虚线A-A'对称，因此可以应用经典的奇偶模方法对其谐振频率进行分析，根据双模谐振器模型，这种结构具有两种谐振模式，即奇模谐振模式与偶模谐振模式。

图1　微带双模谐振器示意图

如图1中所示，奇模情况时，分别通过端口1和端口2馈入等幅反相的信号，对称线A-A′处的电压值为零，可等效为理想的电壁（虚拟短路），加载的微扰枝节相当于被短路掉，相应的等效电路如图2（a）所示。当忽略谐振的不连续性时，奇模激励的输入导纳Yin，o可表示为式（1），由其谐振条件Yin，o可得式（2）

由式（2）可知，奇模谐振频率只与方环各个部分的电长度θ，θ′，θ″有关，与加载的枝节的长度无关，改变方环谐振器的边长相应的奇模谐振频率也会改变。

偶模情况时，分别通过端口1和端口2馈入等幅同相的信号，对称线A-A′处电流值为零，可等效为理想磁壁（虚拟开路），相应的等效电路如图2（b）所示。与奇模激励时情况类似，偶模激励时的输入导纳Yin，e可表示为式（3）以及式（4）。根据偶模谐振条件Im（Yin，e）=0，可得式（5）

由式（5）可知，偶模谐振频率与图1中方环的边长L及加载枝节的长度P都有关系，而上文中提到奇模谐振频率只与方环谐振器的边长L有关，所以通过调节枝节长度P，可以单独改变偶模谐振点频率。图3中给出了奇模和偶模谐振频率随微扰加载枝节的长度P变化的曲线（L=16.2 mm）。

由图中曲线可知，随着微扰枝节的长度P的增长，偶模谐振频率降低。根据上述的奇偶模谐振频率与方环边长L以及微扰枝节长度P的关系，显然可以通过在方环对应的两边及微扰枝节的终端上加载电容器实现方环双模谐振器的频率调节。

2　可调滤波器设计

图2　奇模和偶模馈电等效电路示意图

图3　奇偶模频率随加载枝节长度变化曲线图

设计通过调节变容二极管偏置电压实现频率可调的双模滤波器，需要分别设计固定频率的滤波器以及偏置电路。根据上述理论分析，在对比多种双模谐振器的优缺点之后，文中的最终选择如图4所示的开环形式的双模谐振器设计实现可调滤波器。

图4　HFSS双模谐振器参数示意图

优化之后的谐振器的物理参数值如表1所示，滤波器响应曲线如图5所示，其中心频率为3.45 GHz，滤波带宽约为180 MHz，在频率的高端有一个零点，通带内的传输损耗小于1.5 dB，插入损耗大于23 dB，带外抑制＞20 dB（@3.5 GH±0.5 GHz），符合设计的要求。文中的可调滤波器是设计在20 mm*30 mm的厚度d=0.508 mm，介电常数εr=3.66，损耗角正切tanσ=0.004的Rogers RO4350介质基板上的，其HFSS中的版图如图6所示。

表1　仿真优化后滤波器各部分的几何参数值表

图5　HFSS中微带结构双模谐振器S11和S21曲线图

为了保证加工的准确性，在仿真过程中对可调滤波器进行容差分析，将分析结果作为优化设计的参考，使最终加工获得的滤波器在误差范围内的滤波响应可被接受。首先确定分析的对象，即可能会对滤波响应造成较大影响的物理参量以及加工时易出现误差的因素。在此主要对接地孔在横向和纵向两个方向上的偏移以及输入输出耦合缝隙宽度进行容差分析。

图6　HFSS中可调滤波器示意版图

图7（a）（b）中的容差分析结果显示，在加工误差范围内接地孔位置的偏移的微小变化对滤波器的响应几乎没有影响。另外，从图7（c）中的结果可以看出耦合缝隙宽度的只会影响滤波器的带宽，对其中心频率没有影响。还应该注意到，缝隙宽度偏小时会使回波损耗恶化，但其影响也可以接受。

3　可调滤波器仿真结果分析

图7　接地孔沿横向、纵向偏移、耦合缝隙容差分析结果示意图

ADS中仿真得到的频率响应曲线如图8所示，不同中心频率及滤波带宽对应的变容二极管的偏置电压组合如表2所示。仿真中滤波器可以实现从2.7～2.9 GHz的中心频率可调，插入损耗等参数也都实现了设计指标的要求，随着可调滤波器中心频率变大，其3 dB带宽及相对带宽都变宽，插入损耗变小。

图8　滤波器可调范围示意图

表1　ADS仿真中可调滤波器不同中心频率对应的带宽及偏置电压表

4　结论

本文实现了2.7GHz-2.9GHz中心频率可调的微带双模滤波器。对双模谐振器的谐振原理进行了分析，还对设计的可调滤波器的敏感参数进行了容差分析。基于该设计可以结合LTCC等技术实现可调滤波器的小型化，在无线通信系统中有广阔的应用前景。

参考文献：

［1］Wo1ff I.Mjcrostrjpbandpass fj1ter usjng degenerate modes of a mjcrostrjp rjng resonator［J］.E1ectron.Lett.，1972，8（12）：302-303.

［2］Lee J R，Cho J H，Yun S W.New compact bandpass fj1ter usjng mjcrostrjpresonator wjth open stub jnverter［J］.IEEE Mjcro.Gujded Wave Lett.，2000，10（12）：526-527.

［3］Hong J S，Shaman H，Chun Y H.Dua1-mode mjcrostrjp open-1oop resonators and fj1ter［J］.IEEE Trans.Mjcrow.Theory Tech.，2007，55（4）：1764-1770.

［4］Hunter I C，Rhodes J D.E1ectronjca11y tunab1e mjcrowave bandpassfj1ters［J］.Mjcrow.Theory Tech，1982（30）：1354-1360.

［5］Tang W，Hong J S.Varactor-tuned dua1-mode bandpass fj1ters ［J］.IEEE Trans.Mjcrow Theory Tech，2010，58（8）：2213-2219.

［6］孙守家，吴边，梁昌洪.新型双模方环微带带通滤波器［J］.西安电子科技大学学报：自然科学版，2014，41（1）：53-56.

Deslgn of a novel mlcrostrlP dual-mode tunable fllter

QIN Xu-rong，HE Xjn-yang
（CAST Xi'an，Xi'an 710100，China）

Abstract:In thjs paper，a new type tunab1e fj1ter based on open 1oop dua1-mode resonator js desjgned.Fjrst of a11，accordjng to the structura1 characterjstjcsofthedua1-mode resonator，the characterjstjcs of resonance js ana1yzed jn the even-odd mode ana1-ysjs method；Then，a dua1-mode fj1terjs desjgnedbased on the theoretjca1 ana1ysjs；Fjna11y，thedua1-mode fj1tercan berea1jzedfrequency tunab1eby adjustjng the reverse bjas vo1tageof thevaractors.The jnsertjon 1oss jn the passband of the tunab1efj1terjs 1ess than 5dB wjth a center frequency tunab1e range from2.7GHz to 2.9GHz，and the fj1ter has a broad app1jcatjon prospect.

Key words:mjcrostrjp fj1ter；dua1-mode resonator；varactor；tunab1e fj1ter

中图分类号：TN713+.5

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0101-03

收稿日期：2015-05-10稿件编号：201505086

作者简介：秦绪嵘（1989—），男，山东日照人，硕士。研究方向：微波与电磁场技术。